第四章、 具奈米結構之砷化鎵基混合式太陽電池
4.2 奈米結構元件光學和電學特性量測結果與分析
由 4.1 節中的乾蝕刻與損傷移除蝕刻參數研究中，我們最後選用如表 4- 2 的條件，
其中縮球時間 6 分鐘，砷化鎵蝕刻時間 6.5 分鐘，損傷移除蝕刻時間 15 秒。
自缺陷蝕刻結束後的製程步驟與平面元件相同，包含清潔與溶解氧化物、蒸鍍背電 極、旋塗有機高分子 PEDOT:PSS、退火和蒸鍍正電極。元件製作完成亦同樣利用 Newport 儀器型號 91192A-1000(等級 A、光強度 1000W/m2)的太陽光模擬器、Keithley 2400 量測 其照光和黑暗環境下的電流-電壓特性(照光面積為 0.3cm×0.3cm)；使用自行架構的量測 系統擷取外部量子效率；以積分球(integrating sphere)或 Hitachi U4100 量測元件表面之反 射率。首先，為觀察元件正表面的結構與有機物之貼合情況，我們拍攝了 45 度傾角和 側面 SEM 如圖 4- 19、圖 4- 20 所示。使用直徑 1.5μm 的聚苯乙烯奈米小球經過乾蝕刻 與損傷移除蝕刻後的直徑約剩下將近 1μm，長度則約 2μm，由圖可見有機物 PEDOT:PSS 與奈米柱的貼合情況相當良好，並且形成核-殼結構(core-shell)。奈米柱靠近底部處有相 連接的薄膜，側壁由於經過濕蝕刻而顯得較為平滑。
圖 4- 19. 奈米柱元件正面之 SEM 圖(45 度傾角)
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圖 4- 20. 奈米柱元件正面之 SEM 圖(側面)
具有奈米柱結構與平面元件的電學特性比較如表 4- 4，有結構的元件效率平均可達 7.557%，最高效率是 7.74%(Voc=0.639，Jsc=20.651mA/cm2，FF=58.676%)，提升幅度不 大。從短路電流部分可以看到明顯的增益(達到平的 133%)，表示奈米結構確實有助於抗 反射增加光吸收(搭配圖 4- 22 之藍線與綠線)。然而開路電壓卻略微下降，原因有二：一 為損傷移除蝕刻後殘存於較深處的缺陷未消除乾淨；二是有奈米結構比起平面元件的表 面積增大許多，故在相同缺陷濃度下前者的漏電流將較大。填充因子低落則是此元件的 最重要問題。
表 4- 4. 具有奈米柱結構與平面元件的電學特性比較表
Structure Voc (Volt) Jsc (mA/cm2) FF (%) PCE (%) Planar 0.669±0.005 15.515±0.335 72.256±1.631 7.500±0.045 Nanorods 0.634±0.007 20.646±0.007 57.771±1.279 7.557±0.260
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0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Current density (mA/cm^2)
Voltage (V)
Current density (mA/cm^2)
Voltage (V) 阻(series resistance, Rs)上升，使得當二極體開始導通後的電流改變斜率太過平緩，這部 分來自於奈米結構的尺度問題。
因為一般有機材料的激子擴散長度(exciton diffusion length)僅約 10~20nm，而型號 PH1000 之 PEDOT:PSS 導電度較高，依愛因斯坦關係式，擴散係數(diffusivity)與電洞遷 移率之關係為𝐷𝐷 =𝜇𝜇𝑝𝑝𝑛𝑛𝑞𝑞𝐵𝐵𝑛𝑛，所以根據擴散長度與生命週期關係式𝐿𝐿 = √𝐷𝐷𝜏𝜏，PEDOT:PSS 將 比 其 他 有 機 材 料 之 擴 散 長 度 更 長 ， 但 是 仍 舊 未 達 微 米 等 級 。 原 先 平 面 元 件 的 PEDOT:PSS 膜厚約為 40nm 上下，載子會傾向橫向傳導至電極下方後被收集，但蝕刻完 結構的柱高若太深，即使有形成良好的核-殼結構，載子從接面電場掃開後至傳導到電
300 400 500 600 700 800 900 1000
Planar EQE Nanorods EQE Planar R Nanorods R
圖 4- 22. 有無奈米結構之外部量子效率與反射率比較圖
300 400 500 600 700 800 900 1000 0
然而，此奈米柱元件結果是以正電極遮蔽率為 20.4%、共 17 根柵狀電極的圖樣達
13.2% (11) 0.608±0.008 21.380±0.335 48.540±2.615 6.311±0.345 20.4% (17) 0.636±0.006 20.355±0.337 56.156±2.767 7.269±0.413
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
Current density (mA/cm^2)
Voltage (V)